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    生物膜對消毒劑效果影響及表面活性劑的應用

    來源:     閱讀次數:5     發布時間:2022-08-15

    細菌生物膜(bacterial biofilm,BF)是由細菌及其細菌自身分泌的胞外多聚物基質(extracellular polymeric substance,EPS)所組成,其主要成分為多糖蛋白復合物,并不可逆黏附于載體界面,所形成的生物膜能夠增強細菌對環境的抵抗力和對消毒劑的抗性,包裹在生物膜中的細菌較浮游菌更能耐受消毒劑的作用,生物膜內的微生物的抵抗力較浮游菌強1000倍。細菌生物膜廣泛存在于重復使用的醫療器械、水道水線、食品和化工行業中,生物膜的污染日趨嚴重。


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    圖1 掃描電鏡下金黃色葡萄球菌生物膜形態結構(左:×1000,右:×10000)


    一、生物膜的形成對消毒劑效果的干擾

    1、形成生物膜能增強抵抗性

    研究發現,生物膜強弱與抗性高低呈正相關,形成生物膜能顯著提高微生物的消毒劑抗性。首先,生物膜的胞外多糖和蛋白質等聚合基質結構可形成阻力,延遲消毒劑等物質對生物膜基質的滲透。與游離細菌相比,生物膜降低了消毒劑對黏附在載體上的大腸桿菌的直接接觸,對消毒劑的敏感性降至游離細菌1%~4%,從而增強其對消毒劑的抗性。含氯消毒劑常用于水質處理,嗜酸桿菌、沙單胞菌和假單胞菌等耐氯細菌能通過建立穩定的生物膜抵抗氯氣的侵襲,導致含氯消毒劑處理的消毒效果降低。另研究表明,形成強生物膜有助于菌株增加對氯化雙癸基二甲基銨(DDAC)的抗性。


    2、生物膜內細菌降低代謝水平

    有些微生物可通過降低生物膜內細胞生長速度的策略來抵抗消毒劑的作用。生物膜內細菌的生長速度明顯慢于游離微生物,這種較低的代謝水平使一些消毒劑難以發揮作用。Legner等利用恒化器模型測定生物膜生長速率,發現生物膜的形成越強,微生物生長速度越慢,消毒劑的吸收率與滅活率也越低。另一項研究也發現,大腸桿菌細胞在生物膜中生長緩慢,同時表現出對頭孢三胺的高抗性。


    3、生物膜能與消毒劑相互作用

    一些研究發現,某些種類的病原性微生物能耐受一定劑量的消毒劑而存活,且傳染性和致病性提高,可能是長期低水平的消毒處理與微生物的生物膜產生協同效應。一方面,生物膜的細胞和胞外聚合物是一個復雜而緊湊的多層結構,一系列物理化學作用會引發運輸限制,使消毒劑很難穿透并到達內層,進而影響消毒功效;而另一方面,生物膜的結構成分可以與一些消毒劑發生反應或催化氧化還原過程,使消毒劑部分消耗,一些氧化類消毒劑的功效會受多糖、蛋白質和核酸等生物膜基質成分影響而降低殺菌效果。


    綜上所述,生物膜的形成能顯著降低消毒劑的使用效果,其會使得消毒劑對細菌作用時擴散受阻,防止其滲透,能與消毒劑發生相互作用,阻礙消毒劑與細菌的直接接觸,此外,生物膜內的細菌代謝水平也會發生變化。


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    圖2 微生物對消毒劑抗性機理


    二、表面活性劑對抗生物膜干擾的應用

    表面活性劑是一種兩性化合物,既有親水基團,又有疏水基團,能降低物質的表面張力,具有乳化、發泡、清潔、增效殺菌、表面改性等多種功能。研究發現,表面活性劑帶有電荷,可以與帶有負電荷的生物膜相互作用,會影響生物膜結構的穩定以及功能的發揮,從而抑制生物膜的形成、瓦解剝離生物膜。因此,表面活性劑可以添加到消毒劑中,起到去除生物膜、增效殺菌、改變消毒劑作用方式的功能。


    1、兩性離子表面活性劑

    兩性離子表面活性劑的分子中既含有正電荷,也有負電荷,分為氨基酸型、甜菜型、咪唑啉型三類。檸檬酸兩性離子表面活性劑(Citric Acid Zwitterionic surfactant,CAZS)是兩性離子表面活性劑中的一種,它能與生物膜EPS中的鈣離子橋作用,降低生物膜結構的穩定性,使其生物膜大小和厚度都顯著降低,與消毒劑協同作用,促進消毒劑成分滲透進生物膜內有效殺滅細菌。


    2、非離子型表面活性劑

    非離子型表面活性劑是在水溶液中不產生離子的表面活性劑,按其親水基團可分為聚氧乙烯型和多元醇型兩類。非離子型表面活性劑具有很強的抗細菌黏附作用,它的疏水基團能產生很大的排斥作用和反滲透壓。研究發現,非離子型表面活性劑的疏水基團能防止生物膜形成過程中高聚物的聚合和細菌間的黏附,降低EPS中的多糖含量和蛋白質含量,使得生物膜成分發生變化,從而影響生物膜的穩定。


    3、陽離子表面活性劑

    陽離子表面活性劑是帶有一個及以上正電荷的表面活性劑,溶于水后會電離出陽離子,會與溶液中帶有負電荷的物質結合。一般可分為:胺鹽、季銨鹽和雜環型,常用的季銨鹽類陽離子表面活性劑具有廣譜的殺菌作用,應用廣泛。陽離子表面活性劑因其帶有正電荷,能與帶有負電荷的生物膜相互作用,使蛋白質變性,使蛋白通道受阻,影響生物膜形成。十六烷基三甲基溴化銨能與細菌生物膜基質中的蛋白質和脂質相互作用,進而滲透進生物膜內溶解細菌細胞壁,導致細菌死亡。


    4、陰離子表面活性劑

    陰離子表面活性劑是指在水中電解后能產生負電荷的表面活性劑,從結構可以分為磺酸鹽、羧酸鹽、磷酸酯鹽和硫酸酯鹽四大類。陰離子表面活性劑因與生物膜都帶有負電荷,能直接穿透生物膜,造成細菌裂解,具有較強殺菌作用,對消毒劑有協同增效的作用。研究發現,當高濃度十二烷基硫酸鈉(SDS)作用于放線桿菌生物膜時,SDS能影響生物膜中蛋白質的折疊結構,使其變性從而使生物膜分離。



    圖3 表面活性劑

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